中国青年学者一作，最新Nature系列综述：集成类器官和器官芯片！

2024-07-05

深度聚焦类器官应用与3D细胞培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769，点击↑图片查看议程，扫码领取免费入场券：近年来，类器官（Organoids）和器官芯片（Organs-on-Chips）作为两种新兴的三维细胞培养技术，迅速发展，旨在弥补体外二维培养和动物模型之间的差距，从而推动临床相关的药物发现和人类疾病建模。尽管这两者共享相似的目标，但其方法和实施要求却各不相同。通过集成方法，有望在设备中控制类器官的几何形状，并提供流动、机械和电刺激，从而实现更高的细胞保真度。 2024年7月2日，多伦多大学生物医学工程学院的Milica Radisic教授等人在Nature Reviews Bioengineering 期刊上发表了一篇名为：Integrating organoids and organ-on-a-chip devices的综述。该综述共同第一作者是多伦多大学生物医学工程学院的Yimu Zhao, Shira Landau。这篇综述首先定义了类器官和器官芯片，强调它们的物理尺度，并讨论它们与组织工程和再生医学领域中开创的技术和概念的关系。然后，重点阐述了综合方法的动机，特别是希望创建一个具有体内样细胞保真度、流动控制、生物物理刺激和传感器集成的优越培养系统。最后，提供了对新研究人员的建议以及对经验丰富的研究人员的建议，以推动这一领域向更好的可转化性发展。【要点】 - 类器官和器官芯片（OoCs）旨在改进药物测试和疾病模型，但集成实例仍然稀缺。 - 集成的优势包括器官特异性的细胞层次结构和结构保真度；由器官芯片引导的组织形态形成的微观特征；更好的可重复性和规模化能力；以及用于原位功能读出的生物相容性内置传感器和工业兼容的培养格式。 - 一个关键挑战是用组织特异性的内皮细胞使类器官血管化，并在可扩展的集成设备中使类器官中的不同细胞类型与适当的流动对齐。 - 同时，计算机视觉和深度学习的进步将是提高数据处理和分析的必要条件。解决细胞系的变异性并建立OoC-类器官集成设备的验证标准对于商业和转化成功至关重要。类器官（organoids）和器官芯片（OoCs）文章首先详细介绍了类器官和器官芯片作为先进的3D细胞培养技术在药物开发、疾病建模以及组织工程和再生医学中的应用和发展历程。 1.类器官（Organoids）： ·定义为自组织结构，通常由人类多能或成体干细胞扩展、分化和形态生成而来。 ·包含多种细胞类型和与特定器官区域相似的细胞结构和功能特征。 ·类器官研究建立在重要的历史进展基础上，如海绵细胞在体外生成有机体和胚胎干细胞的研究。 ·类器官在形态生成和复杂的多细胞组织结构方面具有优势，但缺乏与其他器官和组织区隔的系统性互动，常常没有可灌注的血管和免疫系统。 ·为克服某些限制，开发了组合体（assembloids），通过融合不同类型的类器官形成自组织细胞系统。 2.器官芯片（OoCs）： ·支持细胞组装成类似组织结构的工程化或微加工培养系统，可测量模拟器官的功能特征。 ·虽然不完全再现整个器官，但OoC系统提供更精确的3D细胞培养，模拟一个或多个组织的生理反应。 ·OoC平台具有多个共同特征，包括整合多种细胞类型，使用膜或柱阵列促进营养物质和氧气的运输，以及通过组织固定来控制几何形状和多轴拉伸。 ·OoC系统可能在单一设备中结合多个组织，提供对器官级互动和生理的洞察，但这些系统并不总能完全捕捉治疗的系统性反应，且实现起来成本高且需要专业技术。 3.尺寸尺度和人体器官保真度：类器官、组合体和OoC是模拟目标组织生物过程的先进3D细胞培养技术，但仍然缺乏适当的血管化、药代动力学和药效学的常规评估、药物耐受机制的识别及非靶向效应。这些系统操作的尺度通常在几百微米到约1厘米之间，通常再现负责器官关键功能的组织成分。 4.组织工程和再生医学： ·OoCs和类器官是可用于组织工程和再生医学应用的体外方法。 ·组织工程是细胞、生物材料支架和生物反应器的集成使用，以创建可以探测疾病病因、药物疗效和发育机制并替代或增强本体组织结构的组织。 ·再生医学侧重于使用多能或成体人类干细胞、其后代和相关技术（如基因编辑）来替代、再生和功能性恢复因年龄、疾病、事故或先天缺陷损坏的组织和器官。图1：类器官和器官芯片系统中的主要方法。类器官与器官芯片整合的动机、优势和挑战 1.整合的动机：整合类器官和器官芯片旨在结合两者的优势，克服各自的挑战。器官芯片的精确几何和微观特征有助于引导类器官发育，提高一致性和成熟度，并通过内置传感器实现现场功能读数。类器官提供复杂的细胞组成，增强器官芯片的功能。 2.整合的优势： ·结构支持和细胞一致性：器官芯片提供细胞结构支持，类器官在细胞保真度和结构相关性上更接近人类组织。 ·流动控制和传感器整合：器官芯片能控制流动并结合多种传感器，培养可重复性高于类器官。 ·培养可重复性：器官芯片培养的可重复性优于类器官，后者常因坏死核心形成和批次间变异性而受到限制。 3.整合的挑战： ·培养环境：类器官在器官芯片中的整合需要控制其生长，可能影响其特性和细胞谱系的确定。 ·成像和药物分布：类器官更兼容药物研发管道，成像更容易，但难以捕捉药物在体内的分布和扩散。 4.输出和测量：类器官和器官芯片都适用于标准技术，如免疫荧光染色、“组学”分析和电场电位记录。器官芯片通过控制流动，提供更精确的功能测量。图2：类器官与器官芯片设备集成的多孔板设备的时间线和示例。图3：类器官与器官芯片系统集成的进展和挑战。先进的整合系统该综述突出了在各种器官模型中整合器官样体与OoC系统的进展和挑战，强调了生理相关性和疾病建模能力方面的进展。 1.整合器官样体与器官芯片（OoC）系统整合器官样体和OoC系统能够实现更高的模型复杂性。这种整合相比单一方法具有优势，但选择取决于生物学问题。器官样体保留了组织结构，但缺乏血管化和蠕动运动，这些方面被OoC捕捉到。像iFlow板和PDMS膜器件这样的整合系统增强了生理相关性，模拟了免疫招募和蠕动运动。在复制完整器官生理学和整合额外细胞类型方面仍面临挑战。 2.肠道模型肠道器官样体模仿原生结构，但缺乏血管化和腔内访问。OoC设备改善了屏障功能研究，并模拟了蠕动运动，这对于模拟炎症和感染动态至关重要。 3.肾脏进展肾脏器官样体复制肾单位结构，但缺乏成熟血管。具有灌流芯片的OoC增强了跨上皮运输和药物吸收，对疾病建模和药物测试至关重要。 4.肺部创新肺部器官样体发育出类似气道的结构，但需要长期培养以进行分支形态发生。肺芯片模型模拟肺泡-毛细血管相互作用，对研究呼吸系统疾病至关重要。 5.肝脏复杂性肝芯片系统模拟代谢功能和疾病机制。器官样体整合增强了肝细胞功能和胆管形成，但在复制窦oidal内皮细胞功能和空间异质性方面面临挑战。 6.胰腺见解胰腺芯片模型有助于研究囊性纤维化和糖尿病等胰腺疾病，实现胰岛素分泌和药物反应的功能评估。 7.神经系统进展大脑器官样体和组装体模拟大脑发育和疾病机制，但缺乏血管化。大脑芯片设备模拟血脑屏障功能和神经活动，推动药物筛选和疾病建模。 8.心脏和肿瘤模型心脏器官样体和心脏芯片系统模拟心脏发育和疾病，但在完全复制心室方面存在困难。整合到OoC中的肿瘤器官样体增强了肿瘤侵袭研究和药物测试，但在复制复杂肿瘤微环境方面仍然面临挑战。多器官系统多器官系统使用组合体和器官芯片方法形成。组合体如皮质-纹状体组合体用于研究染色体22q13.3缺失对钙活性的影响。最近，还尝试在微流控系统中结合脑-脊髓组合体以监测神经信号传输。组合体适合模拟身体内紧密相邻的组织，例如包含外层肌肉层和内层上皮层的膀胱组合体可增强组织成熟性。相比之下，器官芯片在模拟远距离器官的相互作用时更有用。例如，一个无泵多器官芯片系统可预测肝脏、肿瘤和心脏系统中的药物效力和代谢转化，同时在不同区域之间循环无血清介质。然而，要模拟真正的器官-器官相互作用，需要具备功能性血管系统进行通讯，这是器官芯片面临的最大挑战之一。此外，多器官系统中不同器官样体和组织所需分化培养基的差异也是一个重要障碍。血管化血管化是类器官和器官芯片的重要挑战。氧气在组织中的扩散极限约为100微米，超过此值会导致营养和氧气供应不足，造成坏死。血管化对于类器官的旁分泌通信、机械刺激、组织成熟、内皮屏障功能和多类器官系统的通信至关重要。体外血管工程有两种主要方法：自组装和空腔通道制造。自组装方法将内皮细胞和支持细胞混合在水凝胶中，形成含管腔的血管网络，支持细胞通过分泌关键细胞因子促进这一过程。空腔通道制造方法则是在水凝胶或聚合物中制造空腔通道，然后进行内皮细胞播种。该方法难以控制直径，通常适用于较大血管。微流控装置可以帮助控制血流。天然水凝胶易于形成血管腔，但机械性能较弱，容易塌陷。合成聚合物强度高，但渗透性不足。AngioChip通过在聚合物上压制微孔，实现了血管和实质性区域的通信。血管化类器官面临的主要障碍是培养基不匹配，类器官和支持血管形成的培养基不同。尽管血管化类器官有潜力，但实现这一目标仍面临许多技术挑战。【展望】实施集成方法的难度取决于研究人员的技能。熟悉类器官的研究人员可以使用现成的开放式器官芯片（OoC）系统，而熟悉OoC的研究人员可以使用商业化的类器官分化套件。初学者应先分别使用每种方法的商业系统，再尝试集成。集成方法需要开发控制类器官形状和大小的生物材料，并解决类器官分化阶段放入OoC设备的挑战。应用物理刺激（如电、机械、流动等）可提高系统的生理复杂度。血管化是所有领域的挑战，目标是创建稳定、可寻址和可灌注的血管网络。将不同输入和输出连接到正确细胞类型也是一大挑战。更复杂的模型更难应用于工业实践，需要整合到自动化细胞培养和表征工作流程中，以提高一致性、可重复性和效率。处理流量也变得更加重要，开放式微流控配置具有更大的可扩展性。在类器官和OoC中提取数据是其相比动物模型的基本优势。当前努力应集中在信息提取上，即可扩展的分析。细胞系和批次间的差异性问题需要解决。报告细胞的性别并设计具有不同性别特征的实验有助于捕捉性别特异性药物反应和疾病表现。最后，需要定义通用的验证和基准标准，以与体内器官进行比较。类器官和OoC的快速发展旨在提供更相关的人类模型，集成方法可以捕捉单一方法无法实现的现象。未来需要克服细胞系的差异性和血管化问题，规模化设备生产和人工智能分析方法是必要的，定义适当的验证标准有助于更广泛的应用。【人物简介】 Yimu Zhao博士是一位杰出的生物医学工程师，以其在组织工程和器官芯片技术领域的开创性工作而闻名。她目前在哥伦比亚大学担任NSERC博士后研究员，师从Gordana Vunjak-Novakovic教授。Yimu Zhao博士在多伦多大学获得博士学位，专注于心脏组织培养和药物测试平台的研究，她的研究成果曾在《Cell》杂志上发表。她发表了18篇同行评审的论文，其中包括多篇第一作者论文，并拥有多项专利。Yimu Zhao博士是TARA Biosystems公司的联合创始人之一，为组织成熟和药物筛选优化做出了重要贡献。她的工作获得了TERMIS 2019年度创新与商业化奖的表彰。原文链接： https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s44222-024-00207-z END 免责声明：本文信息来源于网络，本文仅作知识交流与分享及科普目的，不涉及商业宣传，不作为相关医疗指导或用药建议。文章如有侵权请联系删除。深度聚焦类器官应用与3D细胞培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769，上下滑动查看详细议程： 7月18日上午：主论坛探索类器官星辰大海 9:00-9:30 集成生物传感器的器官芯片李晨钟教授香港中文大学（深圳）生物传感和生物电子实验中心主任、医学院生物医学工程教授 9:30-10:00 Organotypic and microphysiological tissue models for translational pharmacology Volker Lauschke 教授深圳湾实验室传染病研究所 10:00-10:30 基于iORGAN模型系统的病理解析与药物筛选吴迪博士淇嘉科技（苏州）有限公司 CEO 10:30-10:50 茶歇 10:50-11:20 3D打印肿瘤类器官芯片苟马玲研究员四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室研究员 11:20-11:50 类器官在精准医学中的应用与前景林鑫华主任复旦大学生命科学学院院长,遗传工程国家重点实验室主任 11:50-12:20 圆桌讨论：类器官与器官芯片过去，现在与未来主持人：高正良，上海大学教授邱潇，博士，上海市食品药品检验研究院副院长，国家药监局高级研修学院特聘专家李亮，南方科技大学医学院药理学系博士生导师，类器官平台主任吴迪博士淇嘉科技（苏州）有限公司 CEO 苟马玲，四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室 12:20-14:00 午餐&休息 7月18日下午：论坛一类器官研究进展与转化研究 14:00-14:30 类器官在新发传染病研究中的应用李存教授周婕教授课题组成员，港大微生物系的研究助理教授 14:30-15:00 高仿生的类器官病理及生理模型在新药早研及安评中的应用畅蓓博士北京大橡科技有限，商务拓展副总裁 15:00-15:30 类器官无动物源培养及其关键技术—CulX产品的优势与应用梁俊教授博士生导师矩阵生物首席科学家 15:30-15:50 茶歇 15:50-16:20 基于类器官技术的临床个体化精准诊疗研究与应用李新宇博士山东省立医院肿瘤微创科 16:20-16:50 骨衰老与骨类器官转化研究苏佳灿主任上海交通大学医学院附属新华医院骨科主任 16:50-17:20 肿瘤类器官及样本库助力精准医疗蒋明研究员浙江大学 17:20-17:50 临床生物样本库肿瘤类器官平台建设与转化应用孙海涛研究员南方医科大学珠江医院临床生物样本资源中心 7月19日全天：论坛一类器官前沿应用 9:00-9:30 基于微流体环境调控的血管化器官芯片技术岳涛副研究员上海大学副研究员 9:30-10:00 基于生物制造技术的组织器官构建熊卓教授清华大学教授 10:00-10:30 嗅上皮类器官培养体系建立及在组织稳态调控和再生研究中的应用余逸群研究员复旦大学附属眼耳鼻喉科医院研究员 10:30-10:50 茶歇 10:50-11:20 话题确认中高正良教授上海大学教授 11:20-11:50 类器官行业标准化与第三方体系建设周健中国科学院大学温州研究院特别研究助理|博士后 11:50-14:00 午餐&休息 14:00-14:30 组织来源类器官及其样本活库在转化医学和新药创制中的应用何康信博士浙江大学医学院附属第一医院传染病诊治国家重点实验室转化医学助理研究员，博士，肿瘤遗传咨询师 14:30-15:00 用于免疫治疗研究的肿瘤类器官技术刘鹏教授清华大学医学院副教授 15:00-15:30 脑类器官技术及其在脑发育和脑疾病模拟应用马少华教授清华大学深圳国际研究生院副教授、博士生导师 15:30-16:00 类器官在晚期肿瘤（胸腹水）中的应用刘劝博士江南大学副主任医师，副教授，硕士生导师，生物治疗中心副主任 16:00-16:30 人肿瘤类器官的构建和药物应用王亚龙，副研究员广州国家实验室 7月18日下午：论坛二 3D细胞培养与类器官构建 14:00-14:30 基于3D打印的抗癌粒细胞研究与转化乐文俊副研究员同济大学、上海市东方医院副研究员、主任 14:30-15:00 话题确认中陈建伟研究员中山大学药学院（深圳）研究员 15:00-15:30 Tecan类器官3 in 1自动化方案范丽霞博士帝肯（上海）实验器材有限公司产品经理 15:30-15:50 茶歇 15:50-16:20 生物材料与类器官芯片构建刘杰教授中山大学生物医学工程学院，教授/博士 16:20-16:50 蛋白激酶核膜穿梭调控细胞3D 生长 Xie Yingqiu 副教授纳扎尔巴耶夫大学哈萨克斯坦俄罗斯独联体国家，院士 16:50-17:20 肝癌类器官与免疫细胞三维共培养及相互作用周国影副研究员中山大学附属第七医院，副研究员、博士生导师 17:20-17:50 基于类器官与器官芯片的临床病原体病理模型构建与药物研发应用李亮教授南方科技大学医学院药理学系博士生导师，类器官平台主任 7月19日全天：论坛二类器官与精准医学 9:00-9:30 泌尿肿瘤类器官构建与应用黄卫人教授深圳大学第一附属医院（深圳市第二人民医院）泌尿外科，国家重点研发计划项目首席科学家 9:30-10:00 仿生人体消化系统在评价谷物食品中的应用孟金凤理学博士中粮研究院研究员，高级工程师 10:00-10:30 4D超多重全定量无标记类器官拉曼表征方法赵晓宇博士美国SuperVision Medicine Co.Ltd 创始人兼CEO 苏州生医视界科技有限公司董事长英国国家卫生局荣誉顾问英国伦敦国王大学荣誉顾问 10:30-10:50 茶歇 10:50-11:20 取向型类器官构建体外模型张冬卉教授湖北大学博士，教授，博士生导师 11:20-11:50 肌肉类器官的构建与功能检测胡苹研究员广州国家实验室研究员 11:50-14:00 午餐&休息 14:00-14:30 胃癌微环境类器官芯片模型构建研究严乐平教授中山大学医学院医学伦理学教研室副主任 14:30-15:00 微流控芯片在高效单细胞分选和类器官芯片中的应用陈华英教授哈尔滨工业大学(深圳)机电学院教授博士生导师 15:00-15:30 上皮类器官里的机械力生物学杨秋潭研究员中国科学院动物研究所 15:30-16:00 类器官工程化构筑新技术王亚清副研究员中国科学技术大学苏州高等研究院副研究员 16:00-16:30 hESCs derived kidney organoid for disease modeling 王华敏博士后南洋理工大学李光前医学院戳“阅读原文”立即领取限量免费参会名额！